（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的dvbt系统同步的设计与实现.pdf

摘要 d v b t ( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 是目前国际认可的数字电视地 面广播标准之一，也是应用最广泛的地面电视广播标准。它采用了编码的正交频 分复用技术，频带利用率高，对于多径衰落、脉冲噪声具有很强的抗干扰能力， 可以很好的克服无线传输信道传输带来的影响。 本文主要研究了d v b t 系统同步的设计与实现。主要内容包括： ( 1 ) 简单介绍了无线信道的传输特性和o f d m 技术的基本原理，对现有的 o f d m 同步技术进行了总结，重点介绍了两种算法：基于循环前缀的最大似然算 法和基于训练序列的同步算法，并对算法进行了m a t l a b 仿真分析。 ( 2 ) 从d v b t 标准开始，结合系统传输的帧结构特点，分析了系统的传输模 型，在此基础上对各部分同步的算法和实现进行了m a t l a b 仿真和分析。 ( 3 ) 给出接收系统同步的具体流程和实现框图，确定了各个模块的实现结构， 重点介绍符号粗同步模块的实现过程以及小数倍载波频偏估计模块中幅角计算的 c o r d i c 算法的实现过程，并编写v e f i l o g 代码，在q u a r t u s 下对这两个模块的功 能实现进行了仿真。 关键字：d v b - t o f d m 同步 c o r d i c a bs t r a c t d i g i t a l v i d e ob r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ( d v b - t ) h a sb e e no n eo ft h ea c c e p t e d s t a n d a r d sf o rt e r r e s t r i a lt r a n s m i s s i o na n dh a sb e e nt h em o s tp o p u l a rs t a n d a r d si nt h e w o r l d i ta d o p t sc o d e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( c o f d m ) a st h e m o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，n o to n l yh a v et h es u p e r i o rf r e q u e n c ye f f i c i e n c y , b u ta l s oh a v ea g o o dc a p a b i l i t yi nc o n f r o n t i n gt h em u l t i p a t hf a d i n ga n di m p u l s en o i s e t h e s em a k ei t w i l lb eg o o da tt r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h ew i r e l e s sc h a n n e l t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es y n c h r o n i z a t i o nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o r d v b t t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o nc a nb ec o n c l u d e da sf o l l o w i n g ： f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t e r r e s t r i a lw i r e l e s sc h a n n e la n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fo f d mt e c h n o l o g y , s u m m a r i z e d t h ee x i s t i n gs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n o l o g y ，h i g h l i g h t i n gt w oa l g o r i t h m s ：t h em a x i m u m l i k e l i h o o da l g o r i t h mb a s e do nt h ec y c l i cp r e f i xa n dt h es y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e d o nt h et r a i n i n gs e q u e n c e ，f o l l o w e db yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c e a n a l y s i s s e c o n d l bf r o mt h eb e g i n n i n go fd v b - ts t a n d a r d ，c o m b i n e dw i t ht h e f r a m e s t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mc h a r a c t e r i s t i c so ft l l et r a n s m i s s i o ns y s t e mm o d e l ， o nt h i sb a s i s ，s i m u l a t e sa n da n a l y s e st h ea l g o r i t h m sa n dr e a l i z a t i o nw i t hm a t l a b f i n a l l y , t h ep r o c e s sa n dt h ea c h i e v e m e n ts t r u c t u r e o ft h er e c e i v i n gs y s t e m s y n c h r o n i z a t i o na r ep r e s e n t e d ，d e t e r m i n e dt h er e a l i z a t i o ns t r u c t u r e o fe a c hm o d u l e ， f o c u s i n go nr o u g hs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o np r o c e s sm o d u l ea sw e l la sc o r d i ca n g l e c a l c u l a t i o na l g o r i t h mp r o c e s sw h i c hi si nt h ef r a c t i o nc a r t i e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n m o d u l e ，a tl a s t ，w i n e st h ev e r i l o gc o d ea n dc o m p l e t e dt h em o d u l es i m u l a t i o nu n d e r t h e q u a r t u s k e yw o r d s ：d v b - t o f d m s y n c h r o n i z a t i o n c o r d i c 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所 罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得 西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发 表论文和使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论 文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复印手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题 再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的论文在解密后遵循此规定) 本人签名： 导师签名： 日期 伽叫互) 2 1 日期 2 川歹。j 砂 第一章绪论 第一章绪论 数字电视是指从节目的拍摄、制作、存储、压缩、传输、解压缩、终端显示都 是数字化的新一代电视技术。按信号的传输方式可以分为：卫星广播、有线广播 和地面无线广播三种数字电视。其中卫星广播主要解决大面积的覆盖问题；有线 广播主要解决信息入户的问题；地面广播不但需要支持固定接收，还需要解决便 携以及移动接收的问题，这是当今信息社会对数字电视地面广播提出的必然要求。 数字电视节目具有便于存储、可提供优质的电视图像、更多的视频服务、比传统 的模拟电视具有更强抗干扰能力等很多优点。 作为数字电视广播传输的重要方式之一，数字电视地面传输正受到越来越多的 关注。由于地面无线传输信道的传输特性比较复杂，传输过程中可能会受到强烈 的噪声干扰，而且信道可能会存在多径衰落，所以地面数字电视接收系统的设计 难度比较大。只有采用适当的数字调制技术，才能在有限的6 到8 m h z 带宽的模拟 电视信道内传输高速的数据流。 数字电视地面广播传输技术是伴随着数字通信技术、数字信号处理技术、微电 子技术的发展而兴起的一种现代广播通信技术。它作为通信技术的一个非常重要 的分支，在最近十多年的时间里得到了长足的发展，这些技术不但代表了目前广 播通信技术最新的研究成果，而且也体现着一个国家科技技术研究的综合水平。 1 1 数字电视技术标准的发展概况 世界各国对数字电视地面广播已经进行了长期的研究，目前比较成熟的数字电 视传输标准有欧洲的d v b 系列标准、美国的a t s c 标准以及日本的i s d b 标准。 ( 1 ) 欧洲的d v b t l 】( d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g ) 系列。作为世界上应用最广 泛、技术最成熟的数字电视标准，欧洲数字电视标准在1 9 9 7 - 1 9 9 8 年由e t s i 制定 并不断完善和提高，它涵盖了数字电视的各种传输方式，包括地面传输标准 ( d v b n 、有线传输标准( d v b c ) 以及卫星传输标准( d v b s ) 三个系列。其中， 地面标准采用基于c o f d m 的多载波调制方式，同时支持固定和移动接收，而且 支持单频网。有线和卫星标准采用单载波调制方式。由于近年来通信技术的发展， e s t i 又提出了所谓的增强的d v b 技术( 手持数字视频广播d v b h ) ，以及第二代 卫星数字视频广播标准( d v b s 2 ) 。d v b 标准正在被越来越多的国家所采用。 ( 2 ) 美国的a t s c ( a d v a n c e dt e l e v i s i o ns y s t e mc o m m i t t e e ) 。此标准采用了传 统成熟的单载波技术，采用了t c m 8 v s b 调制方式，只支持固定接收。相对于欧洲 标准，a t s c 地面传输方案提高了频谱效率，在相同的高斯噪声下可以获得更高的 数据率，但是在抗多径衰落方面明显不足。目前有美国、加拿大和墨西哥等国家 2 基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 采用这一标准。 ( 3 ) 日本的i s d b t ( i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e r r e s t r i a l ) 标 准。此标准可用于数字视频、音频和数据地面广播，采用的调制方式是基于 b t s o f d m 的多载波调制方式，与d v b 有很多相同之处，可以说是d v b t 系统 的衍生系统。不同之处在于：它将频带分为相等宽度的子频带，各个子频带可以 采用不同的载波调制方案和内码编码码率，不同的数据段有自己的误码保护方案 以满足不同的业务需求。该方案抗多径传输的能力比较强，目前日本国内采用这 一标准进行数字电视广播。 上面三种传输标准使用相似的信源编码和不同的信道编码调制方案，传输参数 比较如表1 1 所示： 表1 1 三种标准的传输参数比较 欧洲d v b t 标准日本i s d b t 标准美国a t s c 标准 传输方案 o f d m 分段o f d m 8 v s b 载波数2 k 8 k2 k 4 k s k单载波 复用方式 m p e g - 2 信道外码r s 码( 2 0 4 1 8 8 t = 8 )r s 码( 2 0 7 1 8 8 t = 8 )r s 码 ( 2 0 7 1 8 7 t = 1 0 ) 信道内码 卷积码( 码率1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ，7 8 ) t c m ( 码率2 3 ) 调制技术 q p s k 16 q a m 6 4 q a m8 v s b 总码率4 9 8 m 一3 1 6 7 m b p s3 6 8 2 3 4 2 m b p s 19 2 8 m b p s 接收门限c n 1 9 d b c n 1 5 d b 我国的数字电视研究起步相对较晚，上世纪8 0 年代末，我国才开展了对数字 电视的跟踪研究，国家“八五 、“九五 有关数字电视技术科技攻关项目都取得 了重大成果。1 9 9 9 年又进一步研制开发了不同制式的高清晰度电视的试验播出系 统，并在国庆5 0 周年的庆典中，成功地进行了高清晰度电视的转播试验。这些工 作对于推动我国数字电视技术的研究应用和数字电视标准的制定，促进我国广播 电视事业和信息产业的发展打下了良好的基础。迄今为止，我国的数字电视技术 已经取得了重大进展。 2 0 0 6 年8 月3 1 日，国家标准委颁布了我国数字电视地面传输标准数字电视 地面广播传输帧结构、信道编码和调制乜1 。该标准是我国自主指定的技术标准， 融合了上海交大、清华大学等多家单位自主技术。该标准支持标准清晰度电视、 高清晰度电视和多媒体数据广播等多种业务，满足大范围固定覆盖和移动接收的 需要，而且基于该标准的系统性能好、频谱利用率高、可扩展性强。该标准的颁 第一章绪论 3 布标志着地面数字电视的产业化正式启动，我国的广播电视进入全面数字化阶段。 1 2 论文选题 现有的数字电视地面传输标准，各有自己优缺点聆婚儿别。欧洲的传输方案是应 用最广泛的数字电视传输标准，相对于单载波系统来说，它采用的多载波正交频 分复用技术具有比较好的抗多径传输的能力，对于地面传输信道的影响具有更强 的抵抗能力，并且容易组建单频网络、实现移动接收，适用于不同的应用场合， 具有比较广阔的发展前景。 系统同步哺1 是能否实现正常通信的一个重要问题，而对于多载波系统来说，系 统同步的影响更加严重，而且也是系统实现的重点和难点之一。对于基于o f d m 技术的d v b t 系统来说，同步技术的研究也就有重大的理论和实际价值。 1 3 本文的主要工作及结构 本文主要对o f d m 系统同步进行了分析，然后结合d v b t 系统的帧结构，对 其系统同步的实现进行了分析和设计，主要工作包括： 第二章首先介绍地面传输信道特性及多径时延和多普勒频移对传输信号的影 响，然后给出了o f d m 系统的具体实现，建立了利用i f f t f f t 实现的o f d m 系 统模型，对循环前缀的作用进行了说明，最后讨论了o f d m 系统的特点以及关键 技术。 第三章介绍并分析了o f d m 系统同步的相关关键问题，包括符号定时同步、 载波频率同步、采样钟同步，并分析了各个同步误差对系统性能的影响，介绍了 o f d m 同步的两种算法：基于循环前缀的最大似然算法和基于训练序列的同步算 法，并对其进行了仿真分析。 第四章从d v b t 标准开始，结合系统传输的帧结构特点，分析了系统的传输 模型，在此基础上对各部分同步的算法和实现进行了m a t l a b 仿真和分析。 第五章给出接收系统同步的具体流程和实现框图，重点介绍符号粗同步模块的 实现过程以及小数倍载波频偏估计模块中幅角计算的c o r d i c 算法的实现过程， 并编写v e r i l o g 代码，在q u a r t u s 下进行了功能仿真。 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理 5 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理 d v b t 面临的无线传播环境非常复杂，而且d v b t 采用的c o f d m 调制与单 载波调制技术有本质的区别。本章首先介绍地面广播信道的特性，分析多径时延 扩展和多普勒频移的影响；随后介绍o f d m 技术的基本原理，给出基于f f m f f t 实现的o f d m 系统的传输模型，最后分析了o f d m 系统的特点和关键技术。 2 1 地面无线信道传输的基本特征 地面广播是一种无线通信方式，以电波为媒介传输数字电视信号，如果在理想 的无线信道盯8 3 中传输，接收信号将只包含直射波，则用它可以理想的重构发射信 号。但是，在实际的无线传输信道中，接收信号包含了直射波、反射波、折射波、 散射波以及它们的合成波，这相当于信号在无线信道传输的过程中引入了噪声， 导致信号幅度衰减或者相位发生旋转。概括起来，无线信道对于信号的影响可以 分为三种： 1 ) 自由空间的传播损耗：主要是距离和频率的函数。 2 ) 阴影衰落：是由于传播环境的地形起伏、建筑物或者其他障碍物对电波的 阻塞和屏蔽作用而引起的衰落。 3 ) 多径衰落旧1 ：由于电波在空间传播的过程中会存在反射、散射、绕射、衍 射等影响，所以信号可能会经过多条路径到达接收端，然而每个路径到达 的信号，在时延、衰落和相位上面可能都不相同，这就可能造成在接收端 信号同相增强、异相减小的现象，引起衰落。 上述三种衰落对信号的影响各不相同：前两种衰落属于大尺度衰落，主要影响 无线信号传输的距离，可通过合理的天线布局设计消除其不利影响；后一种衰落 属于小尺度衰落，会造成无线信道在极短的时间内呈现快速剧烈的随机性起伏，从 而严重影响信号传输质量，并且不能通过简单的手段消除。无线信道中信号的传播 特性如图2 1 所示： 6 基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 2 1 1 大尺度衰落 图2 1 无线信道中信号传播特性 对觳距离 大尺度衰落是指电波在自由空间内的传输损耗，主要是由传输距离引起。在数 字通信中，o k u m u r a 模型是使用较为广泛的大尺度衰落模型，而h a t a 模型是根据 o k u m u r a 曲线图所做的经验公式，频率范围从1 5 0 m h z 到1 5 0 0 m h z ，适用于地面广 播系统。 2 1 2 小尺度衰落 在多径信道中，即使接收机和发射机的相对位置发生了1 2 载波波长的位移， 也会引起短时间内接收信号幅度的剧烈变化，这称之为小尺度衰落。具体表现为在 小距离或短时间内接收信号强度的剧烈变化、多普勒效应引起的载波频率弥散或 者多径时延扩展引起的频率选择性衰落。 研究大尺度衰落有利于分析信道的可用性、选择载波频率及网络规划和切换； 研究小尺度衰落则有利于对于传输技术的选择和数字接收机的设计。本文讨论是 地面数字电视同步方面的问题，重点考虑小尺度衰落。 2 1 3 多径时延扩展与频率选择性衰落 在无线传播环境中，如图2 2 所示信道多径传播示意图，发送信号到达接收机 的路径不止一条，而是通过多条直射、反射等路径在接收机叠加合成接收信号。 不同相位的信号相互叠加，会使接收信号的幅度发生剧烈变化，从而产生衰落， 称之为多径衰落。 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理7 假设发送信号为一理想脉冲信号，即 s ( f ) = 万( f ) ( 2 一1 ) 经过多条路径传输之后，不考虑加性噪声的影响，则在接收端得到的信号为： l - i ，( ，) = p , 8 ( t - t , ) ( 2 2 ) i = o 其中辟表示第f 条路径的衰减因子，t 表示第f 条路径的时延，三表示多径的数目。 由式( 2 2 ) ，单一脉冲经过信道传输后，可通过不同的路径以不同的衰落和时延到 达接收端，如图2 3 所示。 jl | 力 孽 f m 戤 jl 1 广 lj j滁 l r r一 时同 图2 3 多径时延扩展示意图 这种由于多径传播引起的接收信号脉冲宽度扩展的现象称为时延扩展，其中 定义为最大时延扩展。从时域上看，时延扩展会使接收信号中一个符号的波形 会扩展到其他符号中去，造成符号问干扰。在频域上，不同时延的信号叠加表现 为频率选择性衰落( 针对不同频率成份的信号，无线信道呈现不同的随机响应) 。 8基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 2 1 4 多普勒频移与时间选择性衰落 多普勒频移由接收机和发射机之间的相对运动，或者由于传输路径中物体运动 引起，是频域上表征信道时变特性的重要参数。 与多普勒频移相关的是信道相干时间。相干时间是信道冲激响应维持不变的 时间间隔的统计平均，在此间隔内到达的两个信号之间具有很强的幅度相关性。 通常在工程应用中，相干时间可表示成最大多普勒频移的倒数，即 个 1 1 c27 j 肼 ( 2 - 5 ) 最大多普勒频移厶和信道相干时间c 是表征时间选择性衰落的两个重要参 数，一般被称为信道频率色散参数，其与信号速率共同决定传输信号所经历的是 快衰落还是慢衰落。如果基带信号的符号持续时间大于z ，则经过信道传输以后 信号波形可能发生变化，产生时间选择性衰落，称为快衰落；反之，如果符号持 续时间小于z ，则可认为经历的是非时间选择性衰落，即慢衰落。z 越大，信道 变化越慢；z 越小，则信道变化越快。 2 20 f d m 技术的基本原理及其关键技术 由上面的描述可以知道，无线信道的主要特征就是多径传播，接收机所接收到 的信号是通过许多不同的路径而到达的，这样就会引起信号的时延扩展，使得信 号在接收端产生符号间干扰( i s i ) 。因此，在无线通信中，如何对抗多径现象一直 以来都是一个非常重要的研究课题。 采用多载波传输技术n 训，将单路的高速数据流分解为多路的低速数据流，并调 制到多个子载波上并行传输，每个子信道上的符号周期远大于原符号周期，则多 径时延扩展所带来的i s i 将会减小。o f d m 技术n 订n 2 1 作为一种特殊的多载波传输技 术，各子载波在时域相互正交，在频域相互重叠，频谱利用率高，在对抗多径效 应上有很强的能力。 2 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种高效调制技术，基本思想是把高速的数据流通过串并转换分散到 多个速率相对较低且相互正交的子载波上传输，使子载波上的符号速率大幅度降 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理 9 低，符号持续时间大大加长，从而对时延扩展有较强的抵抗力，减小了符号间的 干扰问题。o f d m 系统实现框图如图2 4 所示： 输 输 图2 4 基于i f f l 作f t 的o f d m 系统实现框图 设o f d m 符号周期为t ，相邻载波的频率间隔为厂= 1 t ，对调制在子载波 上的n 个数据做n 点i f f t 运算，得到的结果作为o f d m 符号的n 个时域样点， 样点之间的间隔为t n 。则调制输出的o f d m 基带信号表示式为： s f ，1 ：三字x p ，2 李 ( 2 6 ) s ( ，) - 专墨p 乍 ( 一6 ) 其中s d ) 为调制后的信号，五为第露个被调制数据，n 表示子信道个数。 对式( 2 - 6 ) 所示的o f d m 信号，如果在符号时间t 内以正= r n 为采样间 隔进行采样，就得到n 个采样值： s n l = 万1 刍n - 1 鼍e 廊而i mt = 万1 苔n - i 五p m 等，门= 。，1 ，一1 ( 2 7 ) 因此，o f d m 信号在时域上的n 个采样值就是n 个子载波数据的反傅里叶变换， 即接收端可使用傅里叶变换实现多载波信号的解调。 2 2 2o f d m 的关键技术 在o f d m 符号前加入保护间隔，只要保护间隔大于信道的时延扩展，则可以 完全消除符号间干扰( i s i ) 。一般采用循环前缀( c p ) 作为保护间隔，即把o f d m 符号的最后一些样点复制到o f d m 符号的最前面，这样当信道的最大延迟时间小 于循环前缀的长度时，o f d m 符号之间的干扰只发生在c p 区间，因而在接收端通 过去掉c p 部分，可以避免由于多径效应而带来符号间的干扰。 在发送端，为了克服随机噪声和突发噪声的影响，对数据进行编码和交织处理， 再进行串并转换，把一路串行数据分为n 路并行数据，然后通过n 点的i f f t 变 换把数据调制到n 个相互正交的子载波上并行发送，再把i f f t 变换后得到的 o f d m 符号的最后l 个样点复制到o f d m 符号的最前面作为循环前缀，最后把信 1 0 基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 号送到前端放大器放大之后通过发射机发射出去。 而在接收端，进行与发射端相反的处理，首先定时估计找到o f d m 符号的起 始位置，再去掉循环前缀部分，做n 个样点数据的f f t 变换，得到所需要的用户 数据。 根据以上的分析，o f d m 系统实现的关键技术包括以下几个方面的内容： ( 1 ) 循环前缀 循环前缀c p ( c y c l i cp r e f i x ) 是o f d m 技术消除符号间干扰的重要手段，其原 理是把o f d m 符号的最后l 个样点复制到该符号的最前端做为c p ，只要c p 长度 大于信道最大时延，子载波之间的正交性就不会被破坏。在接收端删除c p ，用f f t 对子载波进行解调，转换为串行数据后，再解调译码恢复信号。这样做增加了系 统的能量损失，c p 长度越长，能量损失就越大。 ( 2 ) 调制解调方式 作为一种多载波调制方式，o f d m 系统的各个子载波可以根据信道状况的不 同，采用不同的调制方式，如b p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 等，并以频谱利用率和误 码率之间的最佳平衡为原则，通过选择一定误码率的最佳调制方式可以获得最大 的频谱利用率。另外，o f d m 还可采用自适应调制和功率控制相协调的工作方式， 在信道条件好而且发射功率一定时，采用较高的调制方式，或者是在功率较低时 采用较低的调制方式，从而提高频谱利用率。 ( 3 ) 信道编码与交织 采用信道编码和交织是提高数字通信系统性能的常用方法。对于衰落信道中的 随机错误，可采用信道编码技术；对于突发错误，则可采用交织技术。通常情况 下，这两种技术同时采用，可更好的改善系统的性能。在o f d m 系统中，其结构 特性为在子载波间进行编码提供了机会，形成c o f d m 方式。 ( 4 ) 同步技术 同步是实现通信系统可靠数据传输的前提，对于o f d m 系统来说，同步技术 是一个难点，现有很多o f d m 的同步算法主要是针对循环前缀和特殊的训练序列 以及导频信号来实现，其中较常用方法有：m l 算法和e s p r i t 算法。m l 算法利 用o f d m 信号的循环前缀们可以有效地对o f d m 信号进行频偏和时偏的联合估 计；e s p r i t 算法计算精度高，但是计算量大，计算复杂。 o f d m 系统对定时频偏的要求小于o f d m 间隔的4 ，对频偏的要求大约要小 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理 11 于子载波间隔的1 2 ，系统产生的- 3 d b 相位噪声带宽大约为子载波间隔的 0 0 1 0 1 。对o f d m 系统的同步算法，要根据具体的系统来设计和研究，利用 各种算法进行联合估计。 o f d m 的同步技术包括时域同步和频域同步： 时域同步：估计o f d m 符号的起始界，找到正确的f f t 窗口位置以便进行无 i s i 、无i c i 符号解调或者使i s i i c i 最小化。在相关系统中，一般采用信道估计的 方法来衡量定时估计，并从中获取含有时偏的信息，从而完成对时间偏移的估计 和修正。在o f d m 系统中，高速数据流经过串并转换后，符号的周期延长，速率 降低，所以系统对于时间的偏差不敏感，发送子载波的正交性不受时间偏差的影 响，时域同步比较容易实现。 频域同步：频域同步的目的是要保持子载波的正交性。o f d m 系统对于频偏是 很敏感的，它不但会破坏子载波间的正交性，而且会产生载波间干扰，所以在f f t 之前，必须要估计出频偏并对其校正。在实际的处理过程中，通常将频偏分为整 数倍频偏和小数倍频偏两部分，可以根据它们的不同特点，采用分级同步的方法 进行估计和补偿。 ( 5 ) p a r 问题 o f d m 信号是由一系列的子信道信号重叠起来的，容易造成较大的p a r ，从 而造成较大的频谱扩展和带内失真，须采用一定技术减小p a r 的影响，通常采用 的技术有： 信号失真技术：采用峰值删除技术、峰值窗口去除技术、修剪技术使峰值振幅 值简单地线性去除。 编码技术：采用专门的前向纠错码技术会去除产生较大p a r 的o f d m 符号。 扰码技术：采用扰码技术，使生成的o f d m 互相关性尽量为0 ，减小p a r 。 典型的有：部分传输序列( p t s ) 和选择映射( s l m ) 。 2 3o f d m 技术的优点与不足 2 3 1o f d m 技术的优点 o f d m 是一种多载波技术，它采用正交的子载波来传输数据，使用离散傅里叶 变换来实现信号的调制与解调。其良好的性能使得它在很多领域得到了广泛的应 用，越来越得到人们的广泛关注，其原因在于o f d m 系统存在如下的主要优点： 1 2基于o f d m 的o v b t 系统同步的设计与实现 对抗频率选择性衰落或窄带干扰，并通过将各个子信道联合编码，产生子信道 间的频率分集作用，从而使系统的整体性能得以提高。在单载波系统中，单个衰 落或干扰能够导致整个通信链路失败，但是在多载波系统中，仅仅有很小一部分 载波会受到干扰，而且可以对这些子信道可采用纠错码来进行纠错。 频谱利用率高：o f d m 系统使用正交的子载波作为子信道，极大地提高了频谱 利用率，而且当子载波的数量越多，其利用率越高。 把高速数据流进行串并转换转化为低速数据流，并采用插入循环前缀的方法， 消除了i s i 造成的不利影响，甚至可以不使用均衡器，减小了接收机内均衡的复杂 程度。 o f d m 系统可通过调整子信道数量来实现上、下行链路中不同的传输速率。 易于和其他多种接入方式结合。o f d m 易于与空时编码、智能天线、干扰抑制 等技术结合，最大限度的提高物理层信息传输的可靠性。 2 3 2o f d m 技术的不足 由于o f d m 系统内存在有多个正交子载波，其输出信号是多个子信道信号的 叠加，所以与单载波系统相比，存在以下的缺点： ( 1 ) 较高的峰值平均功率比( p a r ：p e a k t o a v e r a g e p o w e r r a d i o ) ：由于多载 波系统输出的是多个子信道信号的叠加，如果多个信号的相位一致，则得到的叠 加信号的功率就会远大于信号的平均功率，导致出现较大的p a r 。如果接收机内 的放大器不能满足信号的变化，则会带来信号畸变，使叠加的信号频谱发生变化， 从而导致各子信道间的正交性遭到破坏，相互干扰，破坏系统性能。 ( 2 ) 对频率偏差和相位噪声影响很敏感：由于子信道的频谱相互重叠，所以 对于它们之间的正交性提出了严格的限制。接收机本地振荡器和发射机载波频率 之间的偏差，或者是多普勒频移的影响，都会破坏各子载波之间的正交性，仅1 的频偏就能使信噪比下降3 0 d b 。 2 4 本章小结 本章首先介绍了地面无线广播信道的基本特征，包括多径时延扩展与频率选择 性衰落、多普勒频移与时间选择性衰落。随后介绍了o f d m 技术的基本原理及其 关键技术，包括利用i f f t f f t 实现o f d m 的系统框图和实现原理、以及o f d m 系统实现的关键技术，包括循环前缀、调制解调方式、同步技术、p a r 问题等，最 后简单介绍了o f d m 系统的优缺点。 第二章无线信道传输的基本特征及o f d m 基本原理13 与一般的多载波传输技术相比，o f d m 技术允许各个子载波之间频谱部分重 叠，只要满足子载波之间相互正交的原则，就可以从混叠的子载波上分离出数据 信息，使得频谱利用率大大提高。对于频率选择性衰落信道，通过在子载波上使 用纠错编码技术获得频率分集。 由于上述优点，很多无线高速数据通信标准中都使用了o f d m 技术n 3 儿，如 欧洲的数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、w i m a x 、l t e 等。 第三章o f d m 同步技术 1 5 第三章o f d m 同步技术 通信系统中，同步问题直接关系到双方能否正常通信。对于o f d m 系统来说， 同步的要求更高，实现也更复杂。o f d m 信号是以符号的形式处理的，接收端首 先必须进行时间同步来确定o f d m 符号的起始位置，保证f f t 解调能够找到正确 的开始位置。其次，通信的双方可能会由于本地载波振荡器不稳定而发生频率偏 移，或者由于多普勒效应导致双方频率偏差，会破坏o f d m 子载波之间的正交性， 导致子载波之间相互干扰，降低系统的性能。与单载波系统相比，o f d m 符号包 含循环前缀，符号周期长，有较强的抵抗多径时延扩展的能力，但其对收发载波 的频率偏移十分敏感，要求较为精确的载波同步n 5 1 们。 3 1o f d m 系统同步的基本原理 o f d m 系统中的同步包括符号同步、载波同步、样值定时同步和样值频率同步， 如图3 1 所示，其中，符号同步和样值定时同步只引起接受符号相位的旋转，而 载波同步和样值频率同步则会破坏子载波之间的正交性，给系统带来信噪比的损 失。所以在o f d m 系统中，载波同步和样值频率同步是同步问题的关键。 图3 1o f d m 系统中的同步 o f d m 的同步过程可以分为捕获和跟踪两个阶段。同步捕获是指建立同步，尽 快地进行偏差变量估计，在比较宽的范围内捕获到参数，又要使补偿后各偏差变 量的偏差限定在一个非常小的范围内。跟踪阶段是指维持同步，能够锁定并执行 跟踪任务，针对各偏差随机部分所引起的抖动，需要对他们随时进行调整，获得 更高精度的同步。 1 6 基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 同步的实现步骤般分为：粗同步、细同步。粗同步实现的是把较大的初始偏 差减小到较小的范围，而不需要实现完全精确的同步；而细同步是要把各偏差的 剩余误差进一步的减小。 3 2 1 定时偏差 3 2 同步误差对o f d m 系统的影响 o f d m 定时同步需要解决的问题是确定每个o f d m 符号的起点，以便确定f f t 窗口的位置。o f d m 系统采用循环前缀结构，将每个符号的最后l 个采样点复制 到该符号的最前端，因此对于定时误差不敏感。在时偏不引起码间干扰的情况下， 定时偏差的影响相当于各子载波信号星座图上的相位旋转。 假设接收端完成了载波频率同步与采样频率同步，符号定时偏差为0 ( 采样间 隔归一化) ，则f f t 窗口中含有第i 个符号的n 0 个样点和第i + 1 个符号的0 个样 点。在接收端，f f t 变换之后的数据为： ，n 一9 1 臼一1 、 z 广i 乃卅9 + j e - j 2 # n k h v + 刀= 0 刀= 0 口一1一l = ( 一巧，刀) e 巾砌+ i ，刀p 平础g 川删+ n = on = o = h i ? k x i k e - j 2 拍囔孙+ ik + w k j 一1 其中五= ，：，。p 印棚p 叩袱；功率谱密度为n o 的复高斯白噪声。 n = o ( 3 - 1 ) 从上式可以看出，定时误差0 使接收信号的相位旋转了2 j r o k ，同时引入了 符号间干扰。 3 2 2 载波频率偏差 在单载波系统中，载波频率偏差只会对接收信号造成一定的衰减和相位旋转， 可通过均衡技术来消除。但对于多载波系统来说，载波频率偏差会导致子信道间 产生干扰。 在o f d m 系统中，若载波的频率频率偏差是子载波间隔的整数倍( 整数倍频 偏) ，则子载波之间仍可保持正交性，但会使频率采样值发生偏移，导致系统不能 第三章o f d m 同步技术 1 7 口0 ，f ，口l j ，口- l ， ，经过i d f t 变换之后为： 铲专融e x p ( 可j d r k l ( 3 2 ) 雄) = c x p u 2 俐孰p ( f 一等 ( 3 - 3 ) 其中z 为载波频率，p ( f ) 为发射机使用的成形低通滤波器的冲击响应。假设在 在接收端存在馘的频偏，则 j ，= 圳乏n-ig卜万ktexp(j2；cafj ( 3 - 4 ) j ，( ，) = + 岛) 玩，g 卜百i ( 3 4 ) 其中q ( t ) 为发射机低通滤波器与接收机带通滤波器相乘所得到的组合冲击响应， a o 是接收机本地振荡器的相位与射频载波相位之差。假设在抽样时刻k t n ，q ( t ) 能够满足奈奎斯特准则，j c l l y ( t ) 在t = k t n 时刻进行抽样，得到： = e x p ( j o o ) b , ，e x p ( 学) ( 3 - 5 ) 根据。f t 公式铲篓以，e x p ( 一学 ，烈，代入，矧： 钿= e x p ( 训n - 1 1 e x 芝expi( 丝学)(36)=0 k = 0 z 。j =鹏) q ，e i 竺坐吾型型l ( 3 6 ” 由篓= ；筹和l e x p ( j 2 8 ) = 一歹2 s i n 秒e x p ( 声) ，化简上式为： 矿n n 一- i ，鼢p h 马爿订 21削缶n-i嘶7习1-exp一(j2n(1-m+afct) 铲l 削缈n - i 蒿荨一 2 万1 e x p 【) 缶n - i 吼：s i n = ( ；, i r ( 1 三- 骊m + a f c t ) ) e 冲( 弦( 一专) ( ，一所+ 馘r ) ) c 3 7 ) 1 8 基于o f d m 的d v b t 系统同步的设计与实现 如果馘= o ，乙j = e x p ( j o o ) a , , , , l , ( 聊= o ，n - 1 ) ，则得到的结果仅仅受是到了 相位偏差因子铱的影响。如果够0 ，则会发生信道间干扰，每个子信道的输出 要取决于所有的输入数据符号，将会对系统性能造成很大的影响。 一般在载波频偏估计中，将频率偏移划分为两部分分别进行估计：整数倍频偏 估计和小数倍频偏估计。整数倍频偏是指频率偏差为子载波间隔整数倍的频偏部 分；小数倍频偏是指除了整数倍频偏以外，频率偏差小于子载波间隔1 2 的频偏 部分。其中，整数部分会导致子载波位置的移动，解调出的数据发生移位，从而 产生误码；而分数部分则会破坏子载波之间的正交性，产生i c i ，严重破坏系统的 性能。 3 2 3 采样时钟偏差 接收端的抽样周期需要与实际的o f d m 样点时间间隔一致，才能够正确的接 收到n 个样点，恢复原先的数据。但在实际中，由于振荡器不稳定，采样时钟会 有一定的偏差，如果是时变的定时偏差，将会导致接收机跟踪时变的相位变化； 如果是样值频率偏差，则会导致ff ，i 周期的偏差，破坏子载波之间的正交性，产 生i c i ，严重破坏接收机的接收性能。 假设发送端的采样频率为f ，f = l t ，接收端采样频率为厂+ 鲈，v 表示接收 机和发射机之间的采样频偏。设发送的第m 个o f d m 符号的复包络为： 一l ( f ) = x , , , ( k ) e x p ( j 2 n k t t , , ) 其中以( k ) 为第m 个o f d m 符号周期内，第k 个子载波上的发送信号；毛为有用 符号周期；在接收端，对接收信号 y ( f ) = 靠( 卜脚瓦) + 刀( ，) m = - - o o ( 3 9 ) 进行采样，其中疗( f ) 为加性高斯白噪声。 假设瓯为由于采样频率误差，在接收第n 个o f d m 符号期间插入或者删除的 样值个数，通常取 - 1 ，0 ，1 ) ，万= 喀。 k = o 铒。刮咖x p 卜学( 南灿脚阿解调之后的输蚺 匕( 刀) = 以乒厶，。+ 瓦，。厶一+ ( 门) k = o ， t 一 ( 3 10 ) 第